网络层 - ARP 协议

ARP 的用途

ARP 协议的用途是为了从网络层使用的 IP 地址解析出在数据链路层使用的硬件地址。如下图所示，IP 协议使用了 ARP 协议，所以通常把 ARP 协议划归到网络层（划到数据链路层也可以）。

ARP 协议的作用

ARP 的实现

存储

每台主机都设有一个 ARP 高速缓存，里面保存了本局域网上各主机和路由器的 （IP 地址 → 硬件地址）的映射表。

ARP 流程

假设主机 A 要向本局域网上的某台主机 B 发送 IP 数据报，它首先要在自己的 ARP 高速缓存中查看有没有主机 B 的 IP 地址，如果有的话就直接取出对应的硬件地址写入 MAC 帧。如果没有，主机 A 就会自动运行 ARP：

  1. ARP 进程在本局域网上广播发送一个 ARP 请求分组，大意 ”我的 IP 地址是 xxx，硬件地址是 xxx，我想知道 IP 地址为 xxx 的主机的硬件地址“。
  2. 本局域网上所有主机上运行的 ARP 进程都会收到这个 ARP 请求分组。
  3. 主机 B 的 IP 地址与 ARP 请求分组中要查询的 IP 地址一致，就收下了这个 ARP 请求，并用单播的方式向 A 发送 ARP 响应，响应的大意是 “我的 IP 地址是 xxx，我的硬件地址是 xxx“。同时，主机 B 还会在自己的 ARP 高速缓存中保存主机 A（IP 地址 → 硬件地址）的映射。其余主机因为 IP 地址不一致，都不会理睬这个 ARP 请求。
  4. 主机 A 收到主机 B 的 ARP 响应分组之后，就在其 ARP 高速缓存中写入主机 B 的（IP 地址 → 硬件地址）的映射。

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ARP 缓存生存时间

ARP 高速缓存中的（IP 地址 → 硬件地址）映射都有一定的生存时间（例如，10 ~ 20 分钟），避免某些主机退出局域网或者更换网卡之后发生错误。生存时间过后，就需要重新运行 ARP，更新缓存。

跨局域网怎么办？

ARP 是解决同一局域网上主机或路由器的（IP 地址 → 硬件地址）的映射。

如下图所示，主机 H1 想给另一个局域网上的主机 H2 发送数据，但是主机 H1 是无法解析出 H2 的硬件地址的（实际上主机 H1 也不需要知道远程主机 H2 的硬件地址）。

  1. 主机 H1 发送给 H2 的 IP 数据报首先需要通过同一个局域网的路由器 R1 来转发。所以主机 H1 需要把 R1 的 IP 地址解析成硬件地址 HA3，这样 IP 数据报就能传送到 R1；
  2. R1 从转发表找到了下一跳路由器 R2，同时用 ARP 解析出 R2 的硬件地址 HA5，就是就把 IP 数据报按照硬件地址 HA5 转发到了 R2；
  3. R2 再用类似的方法解析出目的主机 H2 的硬件地址 HA2，使 IP 数据包最终交付给了主机 H2。

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参考文献

[1] 谢希仁. 计算机网络 [M]. 7 ed. 北京: 电子工业出版 社, 2017.